אש היא תגובה כימית
להבת גז נראית כמו חפץ, אבל היא בעצם מקום שבו מתרחשת תגובה. מתאן, המרכיב העיקרי של הגז הטבעי, זורם החוצה מהזרבובית. חמצן מהאוויר שמסביב נסחף פנימה. היכן ששניהם נפגשים ביחס הנכון, הם מגיבים:
מולקולה אחת של מתאן ושתיים של חמצן הופכות למולקולה אחת של פחמן דו־חמצני ולשתיים של מים, והתגובה משחררת חום: כ־800 קילוג’אול על כל 16 גרם מתאן, מספיק כדי להביא יותר משני ליטרים של מים קרים לרתיחה. בעירה היא השם לכל תגובה מהירה כזאת, שבה דלק מתרכב עם חמצן ומשחרר חום ואור. עץ, שעווה, בנזין ופחם בוערים באותה דרך; הם פשוט מביאים איתם מולקולות דלק מסובכות יותר.
הלהבה היציבה בסצנה שורפת 4 סנטימטרים מעוקבים של מתאן בשנייה ומשחררת כ־130 ואט, קצת יותר מנר גדול.
משולש האש
לוחמי אש מסכמים את מה שלהבה צריכה במשולש: דלק, חמצן וחום. שלושתם חייבים להיות שם בבת אחת. סלקו אחד מהם, והאש כבה. התרשים שליד הניסוי משרטט את המשולש הזה ושובר את הצלע החסרה.
נסו: קבעו את זרימת הגז על אפס, וצלע הדלק נשברת. החזירו אותה, ואז הורידו את חמצן באוויר עד 12 %. החזירו את החמצן והעלו את ערפל מים עד 10 mg/s. שלוש סיבות שונות, תוצאה אחת.
כל צלע היא דרך אמיתית להילחם באש. סגירת ברז גז, או פינוי צמחייה לפני שרפת יער, מסלקים את הדלק. שמיכת כיבוי, מכסה על מחבת בוערת או קצף שאוטם שלולית דלק מרחיקים את החמצן. מים לוקחים את החום.
למה צריך חום
מתאן וחמצן יכולים להימצא יחד באוויר של מטבח בלי להגיב בכלל. לפני שקשרים חדשים יכולים להיווצר, חלק מהקשרים הישנים במולקולות המתאן והחמצן צריכים להישבר, וזה עולה אנרגיה מראש. האנרגיה שהתנגשות צריכה כדי להניע את התגובה נקראת אנרגיית שפעול. בטמפרטורת החדר כמעט לאף התנגשות אין אותה, ולכן תערובת של גז ואוויר יכולה לחכות לנצח.
ניצוץ או גפרור נותנים לכיס קטן של גז מספיק אנרגיה כדי להתחיל. התגובה משחררת אז הרבה יותר חום ממה שנדרש כדי להתחיל אותה, והחום הזה מצית את שכבת הגז הבאה, ואת זו שאחריה. זו הסיבה שלהבה ממשיכה לבעור מעצמה אחרי שהודלקה: היא מספקת לעצמה את צלע החום. זו גם הסיבה שהיא צריכה הרבה ממנו. מתחת לכ־1,330 °C התגובות בלהבה של פחמימן מתקדמות לאט יותר מהקצב שבו החום בורח, והלהבה כבה אף שהדלק והחמצן עדיין שם.
למה צריך מספיק חמצן
רק כחמישית מהאוויר היא חמצן. כמעט כל השאר הוא חנקן, שאינו בוער אבל גם אי אפשר להרחיק אותו: הוא מגיע יחד עם החמצן, והלהבה צריכה לחמם אותו. על כל מולקולה של מתאן שבוערת באוויר מגיעות איתה כשבע וחצי מולקולות חנקן, והן סופגות את רוב החום. זו הסיבה שמתאן שבוער באוויר מגיע לכ־1,950 °C, ולא לכ־2,800 °C שאליהם הוא מגיע בחמצן טהור.
דללו את החמצן, ויהיה יותר חנקן לחמם על אותה כמות בעירה. טמפרטורת הלהבה יורדת, ואי שם סביב 13 % חמצן היא צונחת מתחת לגבול והלהבה כבה, אף שנשאר עוד הרבה חמצן. שרפות אמיתיות בחדרים אטומים כבות באותה דרך, הרבה לפני שכל החמצן נוצל.
נסו: הזיזו את חמצן באוויר לאט למטה מ־21 %. הלהבה מתארכת כי היא צריכה להגיע רחוק יותר אל החמצן שלה, נעשית עמומה וכחולה יותר, וכבה בסביבות 13 %. עכשיו העלו אותו עד 30 %: להבה קצרה, עזה ולבנה.
איך מים מכבים אש
מים אינם בוערים, והם לא מחסירים מהלהבה שום דבר שהיא צריכה, ובכל זאת ערפל דק מכבה להבה מהר. כל גרם מים שמגיע ללהבה צריך להתחמם ל־100 °C, לרתוח, ואז להתחמם כאדים עד לטמפרטורת הלהבה, והרתיחה לבדה לוקחת 2,260 ג’אול לגרם. כשמונה מיליגרם ערפל בשנייה, שמרוססים לתוך האוויר שמוזן ללהבה, לוקחים מספיק חום כדי להוריד את הלהבה היציבה אל מתחת לגבול שלה.
אש גדולה יותר צריכה יותר מים, כי היא מייצרת בכל שנייה יותר חום שהמים צריכים לספוג. הכמות שבדיוק מכבה את הלהבה גדלה עם זרימת הגז.
נסו: העלו את ערפל מים עד 10 mg/s, והלהבה היציבה כבה; המצת ממשיך להצית, אבל שום דבר לא מחזיק. עכשיו קבעו את זרימת הגז על 8 cm³/s. הלהבה הגדולה יותר נדלקת שוב ושורדת את אותו ערפל.
בתוך הלהבה
בחרו מולקולות תחת התקרבות למולקולות כדי לחתוך דרך הלהבה. מתאן עולה מהזרבובית; חמצן וחנקן נסחפים פנימה מהצדדים. היכן שמתאן פוגש חמצן בשולי הלהבה, השניים הופכים ברגע לפחמן דו־חמצני ולמים, שעולים עם תמרת האוויר החם ויוצאים מלמעלה. החנקן מתקרב, מתחמם ומיטלטל, ויוצא בלי שינוי. כשהלהבה כבויה, המתאן פשוט עולה דרך האוויר בלי לבעור, וזו הסיבה שדליפת גז שלא נדלקה מסוכנת כל כך.
להבה מהסוג הזה, שבה הדלק והאוויר נפגשים רק בשולי הלהבה, נקראת להבת דיפוזיה. נר ומדורה בוערים כך. כיריים גז, או מבער בונזן שפתח האוויר שלו פתוח, מערבבים אוויר לתוך הגז לפני שהוא בוער, וזה יוצר להבה מסוג אחר, מעורבבת מראש.
לקרוא את צבע הלהבה
הכחול בבסיס של להבת גז הוא אור שפולטים שברי מולקולות קצרי חיים באמצע התגובה. הצהוב שמעליו הוא פיח: גרגירים זעירים של פחמן, שנוצרים היכן שהמתאן מתחמם לפני שהוא מוצא מספיק חמצן, וזוהרים כי הם חמים, כמו חוט הלהט של נורה ישנה. הם נשרפים בקצה הלהבה. להבה שקרובה לגבול שלה מייצרת מעט פיח ונראית קטנה וכחולה; להבה שמקבלת חמצן נוסף בוערת חמה ולבנה יותר.
כשדלק בוער בלי מספיק חמצן, חלק מהפחמן הופך לפיח ולפחמן חד־חמצני במקום לפחמן דו־חמצני. לפחמן חד־חמצני אין צבע ואין ריח, והוא מונע מהדם לשאת חמצן. זו הסיבה שתנורי חימום ודודים צריכים אוויר צח, ושלהבת גז צהובה ומעשנת דורשת בדיקה.
הצלע הרביעית
לוחמי אש משרטטים לפעמים ארבעון האש, עם פאה רביעית בשביל שרשרת התגובות שבתוך הלהבה. את התגובות האלה מעבירים הלאה שברי מולקולות פעילים מאוד. אבקות כיבוי מסוימות פועלות בעיקר בכך שהן לוכדות את השברים האלה, וזה עוצר את השרשרת אפילו כשדלק, חמצן וחום עדיין נמצאים שם.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
טמפרטורת הלהבה כאן נקבעת בהנהלת חשבונות פשוטה: החום שהמתאן משחרר מתחלק בין הפחמן הדו־חמצני, אדי המים והחנקן שהוא צריך לחמם, עם קיבולי חום ממוצעים שנבחרו כך שמתאן באוויר רגיל יוצא ב־1,950 °C המקובלים. בטמפרטורות כאלה להבות אמיתיות גם מוציאות אנרגיה על פירוק חלק מהפחמן הדו־חמצני ומהמים, וזה מגביל אותן לטמפרטורה נמוכה יותר, ולכן הטמפרטורות מעל 21 % חמצן גבוהות מדי. הגבול הוא טמפרטורה אחת, 1,600 קלווין (כ־1,330 °C), שמייצגת כימיה שתלויה באמת במהירות זרימת הגזים ובקצב שבו החום בורח. גובה הלהבה נקבע לפי כלל הנדסי ללהבות סילון קטנות ויציבות; להבות אמיתיות בגודל הזה מרצדות ונוטות ברוח. המודל מניח שכל טיפה של ערפל מגיעה ללהבה ורותחת שם, והוא מצייר את המולקולות לאט, מוגדלות מאוד ומעטות מדי, בפרוסה דקה אחת דרך הלהבה.